CN102814121A

CN102814121A - 一种利用浓差极化原理浓缩糖溶液的膜过滤方法和装置

Info

Publication number: CN102814121A
Application number: CN2012102773912A
Authority: CN
Inventors: 万印华; 杭晓风; 齐本坤; 陈向荣
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2012-08-06
Filing date: 2012-08-06
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-08-06
Also published as: CN102814121B

Abstract

本发明提供了一种利用膜技术高效浓缩糖溶液的方法，具体方法是在使用纳滤膜或者反渗透膜浓缩糖溶液的过程中，利用糖溶液会在膜表面形成高浓度浓差极化层的原理，借助重力作用或结合膜面浓缩液低流速冲刷的方法，将膜表面形成的浓差极化层中的高浓度糖液单独取出或者与浓缩液混合取出，得到高浓度的糖溶液。本发明所得到的糖溶液浓度高于常规纳滤或者反渗透膜浓缩过程得到的糖溶液浓度，所得高浓度的糖溶液可以直接使用，也可以显著降低后续蒸发浓缩工艺处理量，从而减少糖浓缩工艺过程所需的能耗。

Description

一种利用浓差极化原理浓缩糖溶液的膜过滤方法和装置

技术领域

本发明涉及利用膜技术进行糖溶液的浓缩，特别涉及利用膜过滤中浓差极化原理浓缩糖溶液的方法及其装置。

背景技术

在糖产品的加工过程或者含糖溶液的综合处理过程中，需要将糖溶液进行浓缩，然后再进行后续加工。糖溶液的浓缩方法主要有热蒸发、压力驱动膜过程（纳滤、反渗透）、膜蒸馏、正向渗透等。其中，在实际生产过程中以热蒸发法和压力驱动膜过程应用较多，正向渗透法、膜蒸馏法尚处于研究阶段，产业化还有待时日。与压力驱动膜过程（纳滤、反渗透）相比，热法浓缩糖溶液所需能耗较高，尤其是在糖溶液浓度较低的时候用热法对糖溶液进行蒸发时，需要耗费大量的能量。在甜菜或者甘蔗生产蔗糖的传统工艺过程中，大约有50%的能耗消耗在蒸发工艺中。另外，在使用热蒸发的方法浓缩糖液的过程中，高温会改变糖液风味并使得颜色加重，导致糖产品质量降低，而膜法浓缩由于操作温度低，没有相变化，可以避免上述问题。

但压力驱动膜过程（纳滤、反渗透）也有其局限的地方，由于浓缩过程中需要克服溶质的渗透压，当将糖溶液浓缩到较高的浓度时，溶液的渗透压大幅度升高，当糖溶液的渗透压超过膜的操作压力上限时，浓缩无法继续。膜过程所能将糖溶液浓缩到的最高糖度与糖本身的性质及膜过程的操作参数相关，以蔗糖为例，膜过程最高能将蔗糖液浓缩至糖度为25～30Brix，而热蒸发能将蔗糖溶液浓缩至糖度为50～65Brix。膜过程适合应用于糖溶液浓度较低、所需浓缩终浓度较低的过程。膜浓缩过程也可与热法结合使用，在热法浓缩前先用纳滤、反渗透法对低浓度糖溶液进行预浓缩，以减少蒸发量、降低能耗。无论是单独使用膜法或者将膜法和热法结合使用，如果能将膜法浓缩糖溶液的最高浓度提高，都能简化后续工艺。

本发明提供了一种提高膜浓缩过程糖溶液终浓度的方法，通过使用重力或结合膜面浓缩液低流速冲刷的方法，将膜浓缩过程中在膜面形成的糖溶液浓差极化层与浓缩液混合导出或者单独导出。由于浓差极化层中的糖溶液浓度高于主体相浓度，可以直接得到糖度达到30～50Brix的糖溶液。得到的高浓度糖溶液在某些特定应用场合，如发酵液流加过程中可以直接使用；在另外一些工艺中，如蔗糖生产工艺中，糖溶液需要进行进一步的蒸发、结晶生产蔗糖，利用本技术可得到更高浓度的糖溶液，从而可减少蒸发量，大幅度降低整个过程的能耗。特别是在木质纤维素酶解糖化过程中，利用本技术可浓缩含糖浓度较低的酶解液，显著提高酶解液中糖浓度，为后续发酵提供高浓度糖溶液，提高木质纤维素糖化发酵的技术经济性。

发明内容

针对现有糖浓缩技术的不足，本发明的目的是在不改变糖溶液风味及色度的前提下，提供一种能得到高浓度糖浓缩液的膜技术，高浓度的糖溶液可以直接利用于某些工艺，与蒸发、结晶等工艺相结合可大幅度降低糖的生产成本。

为达到上述目的，本发明的实施方案是：

一种利用膜过滤浓差极化原理浓缩糖溶液的方法：

利用纳滤膜或者反渗透膜浓缩糖溶液的过程中会形成浓差极化层的原理，通过使用重力或结合膜面浓缩液低流速冲刷的方法，将膜表面形成的浓差极化层单独取出或者与浓缩液混合取出，直接得到糖度达到30～50Brix的糖溶液。在取出浓差极化层的过程中，将膜面与水平面摆成一个特定的角度，通过调整膜组件进出口流量的比例以及膜组件浓缩液口阀门的开度，同时调整跨膜压力来控制糖溶液的浓缩比，从而控制最终得到的糖溶液的浓度。

所述的纳滤浓缩过程中的中的操作压力是0.5～4.5MPa，所述的反渗透浓缩过程中的操作压力是0.5～8.0MPa；纳滤浓缩过程优选的操作压力为1.0～4.0MPa，反渗透浓缩过程优选的操作压力为1.0～6.0MPa。

所述的糖溶液指蔗糖溶液、木糖溶液、葡萄糖溶液、阿拉伯糖溶液、甘露糖溶液、半露糖溶液、寡聚糖溶液、多糖溶液、以及上述溶液的混合溶液或木质纤维素酶解液；

所述的纳滤膜或反渗透膜的膜组件包括中空纤维膜、管式膜、平板膜、卷式膜，优选的为中空纤维膜、管式膜以及卷式膜；

所述的卷式膜组件所采用的浓水隔网为平行流道隔网，平行流道隔网厚度为28～83mi l，优选的平行流道隔网厚度为47～80mi l。

所述的将膜面与水平面摆成一个特定角度指膜表面与水平面的夹角θ大于0度，小于180度，膜表面与水平面优选的夹角θ度数为30度～150度。

本发明的利用膜过滤浓差极化原理浓缩糖溶液的装置包括：

料液桶（1）接有来自经过澄清预处理的原料糖溶液的接入管路、糖溶液输出管路、糖溶液回流管，糖溶液输出管路经过高压泵（2）后分为两路，一路经过回流阀（3）后通过糖溶液回流管路返回至料液桶（1），另外一路经过压力表（4）、高压软管（5）后进入膜组件（6），其中膜组件（6）由于与上端高压软管（5）连接，可以自由调整与水平面的角度，膜组件（6）的出口连接有浓缩液管路、透过液管路，浓缩液管路先后经过浓缩液阀门（7）及浓缩液侧流量计（8）后，经过浓缩液出口（9）后被收集起来，透过液管路经过透过液侧流量计（10）及透过液出口（11）后被直接排放或回用至工艺中。

本发明提供了一种新型的糖溶液浓缩方法与装置，由于纳滤膜或者反渗透膜在浓缩糖溶液的过程中会在膜表面形成糖浓度很高的浓差极化层，将膜组件与水平面摆成一定的角度，利用重力使浓差极化层沿着膜表面坠落至膜组件底部，在膜组件底部可以得到高浓度的糖溶液。在浓差极化层坠落的过程中也可打开浓缩液口阀门，利用低流速的浓缩液冲刷浓差极化层，使得浓差极化层随浓缩液一起排出，可以得到浓度较传统错流浓缩浓度更高的糖溶液。高浓度糖溶液减少了后续工艺的处理量，尤其可以减少蒸发处理量，节约能耗，降低成本。对含可发酵还原糖浓度较低的木质纤维素酶解液，利用本技术可得到符合发酵要求的高糖浓度酶解液，避免常规热法浓缩能耗高的弊端，提高木质纤维素发酵的技术经济性。

附图说明

图1.本发明利用浓差极化原理浓缩糖溶液的膜过滤装置示意图

1.料液桶 2.高压泵 3.回流阀 4.压力表

5.高压软管 6.膜组件 7.浓缩液阀门 8.浓缩液侧流量计

9.浓缩液出口 10.透过液侧流量计 11.透过液出口

图2卷式膜组件所用平行流道隔网与膜片装配后截面示意图

12.膜片 13.平行流道隔网

图3卷式膜组件所用平行流道隔网示意图

13.平行流道隔网

图4卷式膜组件所用平行流道隔网与膜片装配后俯视图

12.膜片 13.平行流道隔网

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。本发明所涉及的主题保护范围并非仅限于这些实施例。

实施例1

请参见图1。一种利用浓差极化原理浓缩糖溶液的膜过滤装置包括料液桶1、高压泵2、回流阀3、压力表4、高压软管5、膜组件6、浓缩液阀门7、浓缩液侧流量计8、浓缩液出口9、透过液侧流量计10、透过液出口11。

将纳滤膜组件6与水平面的夹角θ呈90度摆放，将糖度为3Brix的蔗糖溶液放入料液桶1中，打开浓缩液阀门7，开启高压泵2将纳滤膜组件中空气赶出，缓慢关闭阀门7，同时打开回流阀3，控制进膜压力至3.5MPa，调整阀门7的开度，使得浓缩液侧流量计8的流量与透过液侧流量计10的流量比例为1：9，同时控制进膜压力为3.5MPa，稳定后在浓缩液出口9处收集得到糖度为30Brix的蔗糖溶液。

实施例2

将纳滤膜组件6与水平面的夹角θ呈45度摆放，将糖度为5Brix的蔗糖溶液放入料液桶1中，打开浓缩液阀门7，开启高压泵2将纳滤膜组件中空气赶出，缓慢关闭阀门7，同时打开回流阀3，控制进膜压力至3.5MPa，每过半小时打开浓缩液阀门7取样，当浓缩液侧浓度高于35Brix时，打开浓缩液阀门7放出浓缩液，当放出的浓缩液糖度低于32Brxi时，关闭浓缩液阀门7，重复上述操作，可以得到糖度高于32Brix的高浓度蔗糖溶液。

实施例3

将反渗透膜组件6与水平面的夹角θ呈135度摆放，将糖度为12Brix的蔗糖溶液放入料液桶1中，打开浓缩液阀门7，开启高压泵2将反渗透膜组件中空气赶出，缓慢关闭阀门7，同时打开回流阀3，控制进膜压力至5.5MPa，每过半小时打开浓缩液阀门7取样，当浓缩液侧浓度高于48Brix时，打开浓缩液阀门7放出浓缩液，当放出的浓缩液糖度低于45Brxi时，关闭浓缩液阀门7，重复上述操作，可以得到糖度高于45Brix的高浓度蔗糖溶液。

实施例4

将纳滤膜组件6与水平面的夹角θ呈60度摆放，将糖度为2Brix的葡萄糖溶液放入料液桶1中，打开浓缩液阀门7，开启高压泵2将纳滤膜组件中空气排出，缓慢关闭阀门7，同时打开回流阀3，控制进膜压力至3.5MPa，每隔半小时打开浓缩液阀门7取样，当浓缩液侧浓度高于22Brix时，打开浓缩液阀门7放出浓缩液，直到放出的浓缩液糖度低于20Brix时，关闭浓缩液阀门7，重复上述操作，可以得到糖度高于20Brix的葡萄糖糖溶液。

实施例5

将反渗透膜组件6与水平面的夹角θ呈30度摆放，将糖度为2Brix的木糖溶液放入料液桶1中，打开浓缩液阀门7，开启高压泵2将反渗透膜组件中空气赶出，缓慢关闭浓缩液阀门7，同时打开回流阀3，控制进膜压力至6.0MPa。调节浓缩液阀门7的开度，保持浓缩液侧流量计8的读数与透过液侧流量计10的读数比例为1:14，待稳定后可以从浓缩液出口9处得到糖度为30Brix的木糖溶液。

实施例6

将反渗透膜组件6与水平面的夹角θ呈150度摆放，将还原糖浓度为4Brix的经过澄清处理的木质纤维素酶解液放入料液桶1中，木质纤维素酶解液中主要含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖等，是一种混合糖溶液。打开浓缩液阀门7，开启高压泵2将反渗透膜组件中空气赶出，缓慢关闭浓缩液阀门7，同时打开回流阀3，控制进膜压力至5.5MPa，每隔半小时打开浓缩液阀门7取样，当浓缩液侧浓度高于30Brix时，打开浓缩液阀门7放出浓缩液，直到放出的浓缩液糖度低于25Brix时，关闭浓缩液阀门7，重复上述操作，可以得到糖度高于25Brix的还原糖溶液。

Claims

1.一种利用浓差极化原理浓缩糖溶液的膜过滤方法，其特征如下：在用纳滤膜或者反渗透膜浓缩糖溶液的过程中，将膜表面与水平面摆放成一个特定的角度，从而使浓缩过程中在膜表面形成的高浓度糖溶液浓差极化层在重力作用下或者在重力作用结合膜面浓缩液低流速冲刷的作用下坠落至膜组件底部，高浓度的糖溶液在膜组件下端富集，控制膜组件下端的浓缩液口阀门开启可将高浓度糖溶液取出，根据糖溶液浓度及实际工艺要求可以连续或者间歇移出浓差极化层中的高浓度糖溶液，最终得到糖度达到30～50Brix的糖溶液。

2.权利要求1所述的方法，其特征是：所述的纳滤浓缩过程中的操作压力是0.5～4.5MPa，所述的反渗透浓缩过程中的操作压力是0.5～8.0MPa。

3.权利要求1所述的方法，其特征是：所述的糖溶液指蔗糖溶液、木糖溶液、葡萄糖溶液、阿拉伯糖溶液、甘露糖溶液、半露糖溶液、寡聚糖溶液、多糖溶液、以及上述溶液的混合溶液或木质纤维素酶解液。

4.权利要求1所述的方法，其特征是：所述的纳滤膜或反渗透膜的膜组件包括中空纤维膜组件、管式膜组件、平板膜组件、卷式膜组件。

5.权利要求4所述的方法，其特征是：所述的卷式膜组件所采用的浓水隔网为平行流道隔网，平行流道隔网厚度为28～83mil。

6.权利要求1所述的方法，其特征是：所述的将膜表面与水平面摆成一个特定角度指膜表面与水平面的夹角θ大于0度，小于180度。

7.用于权利要求1所述方法的利用浓差极化原理浓缩糖溶液的膜过滤装置，其特征在于：料液桶（1）接有来自经过澄清预处理的原料糖溶液的接入管路、糖溶液输出管路、糖溶液回流管路，糖溶液输出管路经过高压泵（2）后分为两路，一路经过回流阀（3）后通过糖溶液回流管路返回至料液桶（1），另外一路经过压力表（4）、高压软管（5）后进入膜组件（6），膜组件（6）的另一端连接有浓缩液管路、透过液管路，浓缩液管路先后经过浓缩液阀门（7）及浓缩液侧流量计（8）后，经过浓缩液出口（9）后排出，透过液管路经过透过液侧流量计（10）、透过液出口（11）后排出。